傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件

緒論上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.1自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)概述1.1.1自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的重要性1.1.2自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成1.1.3自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.1.1自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的重要性測(cè)試手段就是儀器儀表。 在工程上所要測(cè)量的參數(shù)大多數(shù)為非電量，促使人們用電測(cè)的方法來(lái)研究非電量，即研究用電測(cè)的方法測(cè)量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速地測(cè)得非電量的技術(shù)。非電量電測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快、能自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)行測(cè)量、可以進(jìn)行遙測(cè)、便于自動(dòng)記錄、可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、可采用微處理器做成智能儀表、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換等。

機(jī)械制造業(yè)化工行業(yè)煙草行業(yè)環(huán)境保護(hù)等部門(mén)現(xiàn)代物流行業(yè)科學(xué)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中文物保護(hù)領(lǐng)域綜上所述，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與我們的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)。它是自動(dòng)化領(lǐng)域的重要組成部分，尤其在自動(dòng)控制中，如果對(duì)控制參數(shù)不能有效準(zhǔn)確的檢測(cè)，控制就成為無(wú)源之水，無(wú)本之木。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.1.2自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成圖1.1.1測(cè)量系統(tǒng)的組成上一頁(yè)返回下一頁(yè)傳感器測(cè)量電路輸出單元被測(cè)量傳感器：把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測(cè)量裝置。測(cè)量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號(hào)，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測(cè)或反饋信號(hào)。輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報(bào)警器、數(shù)據(jù)處理電路等。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.1.3自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)（1）不斷提高儀器的性能、可靠性，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。（2）開(kāi)發(fā)新型傳感器。（3）開(kāi)發(fā)傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。（4）微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與儀器儀表和傳感器的結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化測(cè)試系統(tǒng)，使測(cè)量精度、自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化傳感器或測(cè)試系統(tǒng)。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.2傳感器概述1.2.1傳感器的定義1.2.2傳感器的組成1.2.3傳感器分類上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.2.1傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置。上一頁(yè)下一頁(yè)返回包含的概念：①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；②它的輸出量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.2.2傳感器的組成敏感元件

直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量轉(zhuǎn)換元件

敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量轉(zhuǎn)換電路

上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.2.3傳感器分類工作機(jī)理：物理型、化學(xué)型、生物型物理型傳感器：物理基礎(chǔ)的基本定律。場(chǎng)的定律、物質(zhì)定律、守恒定律和統(tǒng)計(jì)定律構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型:物理學(xué)中場(chǎng)的定律物性型:物質(zhì)定律能量轉(zhuǎn)換能量控制型能量轉(zhuǎn)換型物理原理用途：

位移、壓力、振動(dòng)、溫度上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1測(cè)量誤差的概念和分類1.3.2精度1.3.3測(cè)量誤差的表示方法1.3.4隨機(jī)誤差1.3.5系統(tǒng)誤差1.3.6粗大誤差1.3.7數(shù)據(jù)處理的基本方法上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3.1測(cè)量誤差的概念和分類1.有關(guān)測(cè)量技術(shù)中的部分名詞2.誤差的分類上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.有關(guān)測(cè)量技術(shù)中的部分名詞（1）等精度測(cè)量：（2）非等精度測(cè)量：（3）真值：（4）實(shí)際值：（5）標(biāo)稱值：（6）示值：（7）測(cè)量誤差：上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.誤差的分類（1）系統(tǒng)誤差（2）隨機(jī)誤差（3）粗大誤差上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3.2精度

反映測(cè)量結(jié)果與真值接近程度的量

(1)準(zhǔn)確度

(2)精密度

(3)精確度 對(duì)于具體的測(cè)量，精密度高的而準(zhǔn)確度不一定高，準(zhǔn)確度高的精密度不一定高，但精確度高，則精密度和準(zhǔn)確度都高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3.3測(cè)量誤差的表示方法(1)絕對(duì)誤差(2)相對(duì)誤差上一頁(yè)下一頁(yè)返回(1)絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差是示值與被測(cè)量真值之間的差值。設(shè)被測(cè)量的真值為A0，器具的標(biāo)稱值或示值為x，則絕對(duì)誤差為（1.3.1）由于一般無(wú)法求得真值A(chǔ)0，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具的示值，即實(shí)際值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0。x與A之差稱為測(cè)量器具的示值誤差，記為（1.3.2）通常以此值來(lái)代表絕對(duì)誤差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回修正值為了消除系統(tǒng)誤差用代數(shù)法加到測(cè)量結(jié)果上的值稱為修正值，常用C表示。將測(cè)得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即

A0=x+C（1.3.3） 由此得C=A0-x（1.3.4）在實(shí)際工作中，可以用實(shí)際值A(chǔ)近似真值A(chǔ)0，則（1.3.4）式變?yōu)镃=A-x=-Δx（1.3.5）修正值與誤差值大小相等、符號(hào)相反，測(cè)得值加修正值可以消除該誤差的影響上一頁(yè)下一頁(yè)返回(2)相對(duì)誤差相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差與被測(cè)量的約定值之比。相對(duì)誤差有以下表現(xiàn)形式：

①實(shí)際相對(duì)誤差。

②示值相對(duì)誤差。

③滿度（引用）相對(duì)誤差上一頁(yè)下一頁(yè)返回①實(shí)際相對(duì)誤差。（1.3.6）②示值相對(duì)誤差。（1.3.7）③滿度（引用）相對(duì)誤差上一頁(yè)下一頁(yè)返回最大允許誤差指示儀表的最大滿度誤差不許超過(guò)該儀表準(zhǔn)確度等級(jí)的百分?jǐn)?shù)，即

（1.3.9）當(dāng)示值為x時(shí)可能產(chǎn)生的最大相對(duì)誤差為（1.3.11） 用儀表測(cè)量示值為x的被測(cè)量時(shí)，比值越大，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差越大。選用儀表時(shí)要考慮被測(cè)量的大小越接近儀表上限越好。被測(cè)量的值應(yīng)大于其測(cè)量上限的2/3。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3.4隨機(jī)誤差1.正態(tài)分布2.隨機(jī)誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)3.測(cè)量的極限誤差上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.正態(tài)分布隨機(jī)誤差是以不可預(yù)定的方式變化著的誤差，但在一定條件下服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律

上一頁(yè)下一頁(yè)返回正態(tài)分布的隨機(jī)誤差分布規(guī)律（1）對(duì)稱性。絕對(duì)值相等的正誤差和負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)相等。（2）單峰性。絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。（3）有界性。一定的測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)一定界限。（4）抵償性。隨測(cè)量次數(shù)的增加，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨向于零。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.隨機(jī)誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)由于隨機(jī)誤差大部分按正態(tài)分布規(guī)律出現(xiàn)的，具有統(tǒng)計(jì)意義，通常以正態(tài)分布曲線的兩個(gè)參數(shù)算術(shù)平均值和均方根誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。（1）算術(shù)平均值

（2）標(biāo)準(zhǔn)差上一頁(yè)下一頁(yè)返回（1）算術(shù)平均值當(dāng)測(cè)量次數(shù)為無(wú)限次時(shí)，所有測(cè)量值的算術(shù)平均值即等于真值，事實(shí)上是不可能無(wú)限次測(cè)量，即真值難以達(dá)到。但是，隨著測(cè)量次數(shù)的增加，算術(shù)平均值也就越接近真值。因此，以算術(shù)平均值作為真值是既可靠又合理的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(２)標(biāo)準(zhǔn)差①測(cè)量列中單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差②測(cè)量列算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差上一頁(yè)下一頁(yè)返回①測(cè)量列中單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差在等精度測(cè)量列中，單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差

（1.3.18）式中，n——測(cè)量次數(shù)；

——每次測(cè)量中相應(yīng)各測(cè)量值的隨機(jī)誤差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回圖1.3.2三種不同值的正態(tài)分布曲線實(shí)際工作中用殘差來(lái)近似代替隨機(jī)誤差求標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值貝塞爾（Bessel）公式上一頁(yè)下一頁(yè)返回②測(cè)量列算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差式中，——算術(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差（均方根誤差）；

——測(cè)量列中單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差；

n——測(cè)量次數(shù)當(dāng)測(cè)量次數(shù)n愈大時(shí)，算術(shù)平均值愈接近被測(cè)量的真值，測(cè)量精度也越高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回３.測(cè)量的極限誤差測(cè)量的極限誤差是極端誤差，檢測(cè)量結(jié)果的誤差不超過(guò)該極端誤差的概率P，并使出現(xiàn)概率為（１-P）誤差超過(guò)該極端誤差的檢測(cè)量的測(cè)量結(jié)果可以忽略。（1）單次測(cè)量的極限誤差（2）算術(shù)平均值的極限誤差上一頁(yè)下一頁(yè)返回（1）單次測(cè)量的極限誤差隨機(jī)誤差在－δ至＋δ范圍內(nèi)概率為：經(jīng)變換，(1.3.22）式為若某隨機(jī)誤差在±t范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率為2Φ(ｔ),則超出該誤差范圍的概率為上一頁(yè)下一頁(yè)返回表1.3.1幾個(gè)典型t值的概率情況分析t|δ|=tσ不超出|δ|的概率2Φ（ｔ）超出|δ|的概率1-2Φ（ｔ）0.670.67σ0.49720.502811σ0.68260.317422σ0.95440.045633σ0.99730.002744σ0.99990.0001上一頁(yè)下一頁(yè)返回圖1.3.3單次測(cè)量列極限誤差當(dāng)t=3時(shí)，即|δ|=時(shí),誤差不超過(guò)|δ|的概率為99.73%,通常把這個(gè)誤差稱為單次測(cè)量的極限誤差δlimx,即δlimx

=±3上一頁(yè)下一頁(yè)返回（2）算術(shù)平均值的極限誤差測(cè)量列的算術(shù)平均值與被測(cè)量的真值之差當(dāng)多個(gè)測(cè)量列算術(shù)平均值誤差為正態(tài)分布時(shí)，得到測(cè)量列算術(shù)平均值的極限誤差表達(dá)式為

式中的t為置信系數(shù)，為算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差。通常取t=3,則上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3.5系統(tǒng)誤差1.系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)2.系統(tǒng)誤差的削弱和消除上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)（1）理論分析及計(jì)算（2）實(shí)驗(yàn)對(duì)比法（3）殘余誤差觀察法（4）殘余誤差校核法（5）計(jì)算數(shù)據(jù)比較法上一頁(yè)下一頁(yè)返回（1）理論分析及計(jì)算 因測(cè)量原理或使用方法不當(dāng)引入系統(tǒng)誤差時(shí)，可以通過(guò)理論分析和計(jì)算的方法加以修正。（2）實(shí)驗(yàn)對(duì)比法 實(shí)驗(yàn)對(duì)比法是改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件進(jìn)行不同條件的測(cè)量，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差，這種方法適用于發(fā)現(xiàn)恒定系統(tǒng)誤差。（3）殘余誤差觀察法 根據(jù)測(cè)量列的各個(gè)殘余誤差的大小和符號(hào)變化規(guī)律，直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線圖形來(lái)判斷有無(wú)系統(tǒng)誤差，這種方法主要適用于發(fā)現(xiàn)有規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回（4）殘余誤差校核法①用于發(fā)現(xiàn)累進(jìn)性系統(tǒng)誤差 馬利科夫準(zhǔn)則：設(shè)對(duì)某一被測(cè)量進(jìn)行n次等精度測(cè)量，按測(cè)量先后順序得到測(cè)量值x1，x2，…，xn，相應(yīng)的殘差為v1，v2，…，vn。把前面一半和后面一半數(shù)據(jù)的殘差分別求和，然后取其差值②用于發(fā)現(xiàn)周期性系統(tǒng)誤差 阿卑-赫梅特準(zhǔn)則：

則認(rèn)為測(cè)量列中含有周期性系統(tǒng)誤差。當(dāng)存在設(shè)上一頁(yè)下一頁(yè)返回

(5)計(jì)算數(shù)據(jù)比較法對(duì)同一量進(jìn)行多組測(cè)量，得到很多數(shù)據(jù)，通過(guò)多組計(jì)算數(shù)據(jù)比較，若不存在系統(tǒng)誤差，其比較結(jié)果應(yīng)滿足隨機(jī)誤差條件，否則可認(rèn)為存在系統(tǒng)誤差。任意兩組結(jié)果與間不存在系統(tǒng)誤差的標(biāo)志是

上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.系統(tǒng)誤差的削弱和消除（1）從產(chǎn)生誤差源上消除系統(tǒng)誤差（2）引入修正值法（3）零位式測(cè)量法（4）補(bǔ)償法（5）對(duì)照法上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3.6粗大誤差判別粗大誤差最常用的統(tǒng)計(jì)判別法： 如果對(duì)被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)等精度測(cè)量的測(cè)量數(shù)據(jù)為x1，x2，…，xd,…，xn

其標(biāo)準(zhǔn)差為，如果其中某一項(xiàng)殘差vd大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差，即 則認(rèn)為vd為粗大誤差，與其對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)xd是壞值，應(yīng)從測(cè)量列測(cè)量數(shù)據(jù)中刪除。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3.7數(shù)據(jù)處理的基本方法數(shù)據(jù)處理:從獲得數(shù)據(jù)起到得出結(jié)論為止的整個(gè)數(shù)據(jù)加工過(guò)程。

常用方法:列表法、作圖法和最小二乘法擬合。最小二乘法原理是指測(cè)量結(jié)果的最可信賴值應(yīng)在殘余誤差平方和為最小的條件下求出。在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，兩個(gè)變量間的線性關(guān)系是一種最簡(jiǎn)單、也是最理想的函數(shù)關(guān)系。上一頁(yè)下一頁(yè)返回設(shè)有n組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（xi，yi）(i=1，2，…，n)，其最佳擬合方程(回歸方程)為

y=A+Bx(1.1.37)式中，A為直線的截距；B為直線的斜率。根據(jù)最小二乘法原理，要使為最小，取其對(duì)A、B求偏導(dǎo)數(shù)，并令其為零，可得兩個(gè)方程，聯(lián)立兩個(gè)方程可求出A,B的唯一解。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.4傳感器的一般特性1.4.1傳感器的靜特性1.4.2傳感器的動(dòng)特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.4.1傳感器的靜特性輸出與輸入間關(guān)系

微分方程靜特性：輸入量為常量，或變化極慢動(dòng)特性：輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)微分方程中的一階及以上的微分項(xiàng)取為零時(shí)，可得到靜特性（動(dòng)特性的特例）表示傳感器在被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系希望輸出與輸入具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且呈線性關(guān)系。上一頁(yè)下一頁(yè)返回靜特性指標(biāo)一、線性度二、靈敏度三、遲滯四、重復(fù)性五、零點(diǎn)漂移六、溫度漂移上一頁(yè)下一頁(yè)返回1、線性度靜特性輸出量輸入量零點(diǎn)輸出理論靈敏度非線性項(xiàng)系數(shù)直線擬合線性化非線性誤差或線性度最大非線性誤差滿量程輸出上一頁(yè)下一頁(yè)返回直線擬合線性化出發(fā)點(diǎn)獲得最小的非線性誤差擬合方法：①理論擬合；

②過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；

③端點(diǎn)連線擬合；

④端點(diǎn)連線平移擬合；

⑤最小二乘擬合；

⑥最小包容擬合上一頁(yè)下一頁(yè)返回①理論擬合擬合直線為傳感器的理論特性，與實(shí)際測(cè)試值無(wú)關(guān)。方法十分簡(jiǎn)單，但一般說(shuō)較大xyΔLmax上一頁(yè)下一頁(yè)返回②過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合曲線過(guò)零的傳感器。擬合時(shí)，使xyΔL2ΔL1上一頁(yè)下一頁(yè)返回③端點(diǎn)連線擬合把輸出曲線兩端點(diǎn)的連線作為擬合直線xyΔLmax上一頁(yè)下一頁(yè)返回④端點(diǎn)連線平移擬合在端點(diǎn)連線擬合基礎(chǔ)上使直線平移，移動(dòng)距離為原先的一半yxΔLmaxΔL1上一頁(yè)下一頁(yè)返回⑤最小二乘擬合原理:上一頁(yè)下一頁(yè)返回最小二乘擬合方法xy=kx+by上一頁(yè)下一頁(yè)返回2、靈敏度傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度表征傳感器對(duì)輸入量變化的反應(yīng)能力上一頁(yè)下一頁(yè)返回表征傳感器對(duì)輸入量變化的反應(yīng)能力(a)線性傳感器(b)非線性傳感器

圖1.4.2傳感器的靈敏度上一頁(yè)下一頁(yè)返回3、遲滯正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯

—正反行程間輸出的最大差值。遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差，常用絕對(duì)誤差表示檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)差值的最大者即為回程誤差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回遲滯特性xΔHmaxY上一頁(yè)下一頁(yè)返回4、重復(fù)性傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度正行程的最大重復(fù)性偏差反行程的最大重復(fù)性偏差取較大者為上一頁(yè)下一頁(yè)返回

重復(fù)特性xΔRmax1ΔRmax2y上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.零點(diǎn)漂移

傳感器在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移零漂＝式中ΔY0

——最大零點(diǎn)偏差；

YFS——滿量程輸出。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6、溫漂

傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)出的變化溫漂＝式中Δmax

——輸出最大偏差；

ΔT——溫度變化范圍；

YFS

——滿量程輸出。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.4.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鰧?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映輸出值真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要是從測(cè)量誤差角度分析產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因以及改善措施。

時(shí)域：瞬態(tài)響應(yīng)法

頻域：頻率響應(yīng)法上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.瞬態(tài)響應(yīng)特性

在時(shí)域內(nèi)研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，常用的激勵(lì)信號(hào)有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等。傳感器對(duì)所加激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。

理想情況下，階躍輸入信號(hào)的大小對(duì)過(guò)渡過(guò)程的曲線形狀是沒(méi)有影響的。但在實(shí)際做過(guò)渡過(guò)程實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)保持階躍輸入信號(hào)在傳感器特性曲線的線性范圍內(nèi)。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回⑴一階傳感器的單位階躍響應(yīng)設(shè)x(t)、y(t)

分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時(shí)間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為 式中τ——時(shí)間常數(shù)；

K——靜態(tài)靈敏度。 由于在線性傳感器中靈敏度K為常數(shù)，在動(dòng)態(tài)特性分析中，K只起著使輸出量增加K倍的作用。討論時(shí)采用K=1。上一頁(yè)下一頁(yè)返回對(duì)于初始狀態(tài)為零的傳感器，當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào)時(shí)，X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為則一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為一階傳感器的時(shí)間常數(shù)τ越小越好上一頁(yè)下一頁(yè)返回⑵二階傳感器的單位階躍響應(yīng)二階傳感器的傳遞函數(shù)為式中ωn——傳感器的固有頻率；

ζ——傳感器的阻尼比。在單位階躍信號(hào)作用下，傳感器輸出的拉氏變換為上一頁(yè)下一頁(yè)返回對(duì)Y（s）進(jìn)行拉氏反變換，即可得到單位階躍響應(yīng)。圖1.4.6為二階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線。傳感器的響應(yīng)在很大程度上取決于阻尼比ζ和固有頻率ωn。在實(shí)際使用中，為了兼顧有短的上升時(shí)間和小的超調(diào)量，一般傳感器都設(shè)計(jì)成欠阻尼式的，阻尼比ζ一般取在0.6~0.8之間。帶保護(hù)套管的熱電偶是一個(gè)典型的二階傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回⑶瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo)時(shí)間常數(shù)τ是描述一階傳感器動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)，τ越小，響應(yīng)速度越快。 二階傳感器階躍響應(yīng)的典型性能指標(biāo)可由圖1.4.7表示，上一頁(yè)下一頁(yè)返回各指標(biāo)定義如下：①上升時(shí)間tr

輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時(shí)間。②響應(yīng)時(shí)間ts

系統(tǒng)從階躍輸入開(kāi)始到輸出值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。③峰值時(shí)間tp

階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需時(shí)間。④超調(diào)量σ

傳感器輸出超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的最大值ΔA，常用相對(duì)于穩(wěn)態(tài)值的百分比σ表示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.頻率響應(yīng)特性傳感器對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性

頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性。 （1）零階傳感器的頻率特性 （2）一階傳感器的頻率特性 （3）二階傳感器的頻率特性 （4）頻率響應(yīng)特性指標(biāo)上一頁(yè)下一頁(yè)返回（1）零階傳感器的頻率特性零階傳感器的傳遞函數(shù)為頻率特性為零階傳感器的輸出和輸入成正比，并且與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)。因此，無(wú)幅值和相位失真問(wèn)題，具有理想的動(dòng)態(tài)特性。電位器式傳感器是零階系統(tǒng)的一個(gè)例子。在實(shí)際應(yīng)用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時(shí)，都可以近似的當(dāng)作零階系統(tǒng)來(lái)處理。上一頁(yè)下一頁(yè)返回⑵一階傳感器的頻率特性將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用jω代替，即可得到頻率特性表達(dá)式幅頻特性相頻特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回(a)幅頻特性(b)相頻特性

1.4.8一階傳感器的頻率特性時(shí)間常數(shù)τ越小，頻率響應(yīng)特性越好。當(dāng)ωτ<<1時(shí)，A(ω)≈1，Φ(ω)≈ωτ，表明傳感器輸出與輸入為線性關(guān)系，相位差與頻率ω成線性關(guān)系，輸出y(t)

比較真實(shí)地反映輸入x(t)

的變化規(guī)律。因此，減小τ可以改善傳感器的頻率特性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回⑶二階傳感器的頻率特性二階傳感器的頻率特性表達(dá)式、幅頻特性、相頻特性分別為上一頁(yè)下一頁(yè)返回圖1.4.9二階傳感器的頻率特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回⑷頻率響應(yīng)特性指標(biāo)①頻帶傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍，稱為傳感器的頻帶或通頻帶，對(duì)應(yīng)有上、下截止頻率。②時(shí)間常數(shù)τ

用時(shí)間常數(shù)τ來(lái)表征一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性，τ越小，頻帶越寬。③固有頻率ωn

二階傳感器的固有頻率ωn表征了其動(dòng)態(tài)特性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.5傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定是通過(guò)試驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時(shí)，確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。

傳感器的標(biāo)定工作可分為如下幾個(gè)方面，

1.新研制的傳感器需進(jìn)行全面技術(shù)性能的檢定，用檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行量值傳遞，同時(shí)檢定數(shù)據(jù)也是改進(jìn)傳感器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；

2.經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的儲(chǔ)存或使用后對(duì)傳感器的復(fù)測(cè)工作。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回傳感器的標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定:

目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。動(dòng)態(tài)標(biāo)定:

目的是確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.5傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.5.1傳感器的靜態(tài)特性標(biāo)定1.5.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定1.5.3壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定1.5.4壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定1.5.1傳感器的靜態(tài)特性標(biāo)定

1.靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件2.標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級(jí)的確定3.靜態(tài)特性標(biāo)定的方法上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件

沒(méi)有加速度、振動(dòng)、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測(cè)物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5℃）、相對(duì)濕度不大于85%，大氣壓力為101±7kPa的情況。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級(jí)的確定對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，實(shí)際上也是確定傳感器的測(cè)量精度。標(biāo)定傳感器時(shí)，所用的測(cè)量?jī)x器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個(gè)等級(jí)。這樣，通過(guò)標(biāo)定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)才是可靠的，所確定的精度才是可信的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回3.靜態(tài)特性標(biāo)定的方法標(biāo)定過(guò)程步驟：⑴將傳感器全量程（測(cè)量范圍）分成若干等間距點(diǎn)；⑵根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；⑶將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減少，同時(shí)記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；⑷按⑵、⑶所述過(guò)程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試，將得到的輸出－輸入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或畫(huà)成曲線；⑸對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.5.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定主要研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而與動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有一個(gè)時(shí)間常數(shù)τ，二階傳感器則有固有頻率ωn和阻尼比ζ兩個(gè)參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào):

階躍變化和正弦變化的輸入信號(hào)上一頁(yè)下一頁(yè)返回一階傳感器的單位階躍響應(yīng)函數(shù)為則上式可變?yōu)閦和時(shí)間t成線性關(guān)系，并且有τ=Δt/Δz

可以根據(jù)測(cè)得的y(t)值作出z—t曲線，并根據(jù)Δt/Δz的值獲得時(shí)間常數(shù)τ一階傳感器時(shí)間常數(shù)的求法上一頁(yè)下一頁(yè)返回二階傳感器（ζ<1）的單位階躍響應(yīng)為上一頁(yè)下一頁(yè)返回如果測(cè)得階躍響應(yīng)的較長(zhǎng)瞬變過(guò)程，則可利用任意兩個(gè)過(guò)沖量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比ζ，其中n是該兩峰值相隔的周期數(shù)（整數(shù)）。當(dāng)ζ<0.1時(shí)，以1代替，此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的誤差（不大于0.6%）,則可用式(1.5.8)計(jì)算ζ，即上一頁(yè)下一頁(yè)返回若傳感器是精確的二階傳感器，則n值采用任意正整數(shù)所得的ζ值不會(huì)有差別。反之，若n取不同值獲得不同的ζ值，則表明該傳感器不是線性二階系統(tǒng)。根據(jù)響應(yīng)曲線測(cè)出振動(dòng)周期Td，有阻尼的固有頻率ωd為則無(wú)阻尼固有頻率ωn為上一頁(yè)下一頁(yè)返回利用正弦輸入，測(cè)定輸出和輸入的幅值比和相位差來(lái)確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根據(jù)幅頻特性，分別按下圖求得一階傳感器的時(shí)間常數(shù)τ和欠阻尼二階傳感器的固有頻率和阻尼比。由幅頻特性求時(shí)間常數(shù)τ

欠阻尼二階傳感器的ωn和ζ上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.5.3壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定常用的標(biāo)定裝置有：活塞壓力計(jì)、杠桿式和彈簧測(cè)力計(jì)式壓力標(biāo)定機(jī)。1.5.5活塞壓力計(jì)標(biāo)定壓力傳感器的示意圖1--標(biāo)準(zhǔn)壓力表2—砝碼3—活塞4—進(jìn)油閥5—油杯6—被標(biāo)傳感器7—針形閥8—手輪9—手搖壓力泵上一頁(yè)下一頁(yè)返回

圖1.5.6壓力標(biāo)定曲線上述標(biāo)定方法不適合壓電式壓力測(cè)量系統(tǒng)，因?yàn)榛钊麎毫τ?jì)的加載過(guò)程時(shí)間太長(zhǎng)，致使傳感器產(chǎn)生的電荷有泄漏，嚴(yán)重影響其標(biāo)定精度。所以，對(duì)壓電式測(cè)壓系統(tǒng)一般采用杠桿式壓力標(biāo)定機(jī)或彈簧測(cè)力計(jì)式壓力標(biāo)定機(jī)。為了保證壓力傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度，需定期檢定，檢定周期最長(zhǎng)不超過(guò)一年。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.5.4壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定給傳感器加一個(gè)特性已知的校準(zhǔn)動(dòng)壓信號(hào)作為激勵(lì)源，從而得到傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)計(jì)算分析、數(shù)據(jù)處理，即可確定傳感器的頻率特性。

壓力傳感器在標(biāo)定時(shí)廣泛采用激波管法方法。

激波管法三大特點(diǎn)：

⑴壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值；

⑵頻率范圍寬(2kHz~2.5MHz)；

⑶便于分析研究和數(shù)據(jù)處理。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.激波管標(biāo)定裝置工作原理圖1.5.7激波管標(biāo)定裝置系統(tǒng)原理框圖1-高壓室2-低壓室3-膜片4-側(cè)面被標(biāo)定的傳感器

5-底面被標(biāo)定的傳感器6、7-測(cè)速壓力傳感器8-測(cè)速前置級(jí)9-數(shù)字頻率計(jì)10-測(cè)壓前置級(jí)11-記錄裝置12-氣源13-氣壓表14-泄氣門(mén)上一頁(yè)下一頁(yè)返回激波管標(biāo)定裝置系統(tǒng)激波管入射激波測(cè)速系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)氣源上一頁(yè)下一頁(yè)返回傳感器在激波的激勵(lì)下按固有頻率產(chǎn)生一個(gè)衰減振蕩。其波形由顯示系統(tǒng)記錄下來(lái)用以確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性。圖1.5.8被標(biāo)定傳感器的輸出波形上一頁(yè)下一頁(yè)返回激波管中壓力與波動(dòng)情況

膜片爆破前的情況(b)膜片爆破后稀疏波反射前的情況稀疏波反射后的情況(d)反射激波的波動(dòng)情況上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.傳感器動(dòng)態(tài)參數(shù)的確定方法傳感器對(duì)階躍壓力的響應(yīng)曲線是輸出壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線，所以又稱為時(shí)域曲線。若傳感器振蕩周期Td是穩(wěn)定的，而且振蕩幅度有規(guī)律地單調(diào)減小，則傳感器（或測(cè)壓系統(tǒng)）可以近似地看成是二階系統(tǒng)。 根據(jù)試驗(yàn)獲得的階躍響應(yīng)曲線，確定傳感器的固有頻率ωn和阻尼比ζ，求得壓力傳感器的幅頻特性和相頻特性分別為上一頁(yè)下一頁(yè)返回

傳感器的基本特性傳感器的基本特性：傳感器的輸入－輸出關(guān)系特性。是傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部表現(xiàn)輸入信號(hào)分為：穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)傳感器特性：靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性對(duì)傳感器的要求：高精度－＞信號(hào)（或能量）無(wú)失真轉(zhuǎn)換－＞反映被測(cè)量的原始特征2.1傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性：在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下的輸入－輸出關(guān)系。不含有時(shí)間變量。線性度靈敏度分辨率遲滯重復(fù)性漂移2.1.1線性度傳感器的輸入、輸出間成線性關(guān)系的程度非線性特性的線性化處理2.1.2靈敏度傳感器在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下輸出量變化對(duì)輸入量變化的比值2.1.3分辨率分辨率是指?jìng)鞲衅髂軌蚋兄驒z測(cè)到的最小輸入信號(hào)增量。分辨率可以用絕對(duì)值或與滿量程的百分比來(lái)表示。2.1.4遲滯在相同測(cè)量條件下，對(duì)應(yīng)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器正、反行程的輸出信號(hào)大小不相等的現(xiàn)象產(chǎn)生原因：傳感器機(jī)械部分存在摩擦、間隙、松動(dòng)、積塵等2.1.5重復(fù)性傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)所得輸入－輸出特性曲線一致的程度2.1.6漂移傳感器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時(shí)間變化的現(xiàn)象產(chǎn)生原因：傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)老化測(cè)試過(guò)程中環(huán)境發(fā)生變化2.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)動(dòng)態(tài)激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性，即其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律，將能再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)動(dòng)態(tài)特性分析2.2.1傳感器的數(shù)學(xué)模型線性時(shí)不變系統(tǒng)理論來(lái)描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性用常系數(shù)線性微分方程（線性定常系統(tǒng)）表示傳感器輸出量與輸入量的關(guān)系線性時(shí)不變系統(tǒng)有兩個(gè)重要的性質(zhì)疊加性如果則：頻率保持特性如果則：2.2.2傳遞函數(shù)特性關(guān)系式：拉氏變換：變形：傳遞函數(shù)：2.2.3頻率響應(yīng)函數(shù)傅立葉變換得到頻率響應(yīng)特性：指數(shù)表示：幅頻特性：相頻特性：2.2.4傳感器的動(dòng)態(tài)特性分析1、一階傳感器的頻率響應(yīng)2、二階傳感器的頻率響應(yīng)2.3傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定是利用某種標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)新研制或生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行技術(shù)檢定和標(biāo)度；它是通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量間的關(guān)系，并確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系或測(cè)量精度。傳感器的校準(zhǔn)是指對(duì)使用或儲(chǔ)存一段時(shí)間后的傳感器性能進(jìn)行再次測(cè)試和校正，校準(zhǔn)的方法和要求與標(biāo)定相同。2.3.1靜態(tài)標(biāo)定傳感器的靜態(tài)標(biāo)定是在輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性等。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)是指沒(méi)有加速度、沒(méi)有振動(dòng)、沒(méi)有沖擊（如果它們本身是被測(cè)量除外）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5℃），相對(duì)濕度不大于85%，大氣壓力為7kPa的情形。2.3.2動(dòng)態(tài)標(biāo)定動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。常用的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)源是正弦信號(hào)和階躍信號(hào)。根據(jù)傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要涉及到一階傳感器的時(shí)間常數(shù)，二階傳感器的固有角頻率和阻尼系數(shù)等參數(shù)的確定。

壓阻式傳感器下一頁(yè)返回2.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)

固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)

半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。

壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。 因?yàn)榘雽?dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。上一頁(yè)返回下一頁(yè)壓阻效應(yīng)

金屬材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體電阻率πl(wèi)為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。上一頁(yè)返回下一頁(yè)對(duì)半導(dǎo)體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項(xiàng)可以忽略半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率ρ的變化是由應(yīng)變引起的半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示

半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小上一頁(yè)返回下一頁(yè)上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.2.2體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片

1.結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)2.測(cè)量電路1.結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)

主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.測(cè)量電路

恒壓源恒流源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與ΔR成正比，環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒(méi)有影響。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.2.3擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1—低壓腔2—高壓腔3—硅杯4—引線5—硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜上一頁(yè)返回下一頁(yè)工作原理：膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。

四個(gè)電阻的配置位置：按膜片上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分布情況確定。設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動(dòng)電橋。上一頁(yè)返回下一頁(yè)擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測(cè)出十幾帕的微壓，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.2.4壓阻式加速度傳感器

它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個(gè)擴(kuò)散電阻擴(kuò)散在其根部?jī)擅妗U(kuò)散電阻質(zhì)量塊基座應(yīng)變梁a上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.2.5測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問(wèn)題，影響傳感器的準(zhǔn)確性。減少與補(bǔ)償誤差措施

1.恒流源供電電橋

2.零點(diǎn)溫度補(bǔ)償

3.靈敏度溫度補(bǔ)償上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.恒流源供電電橋恒流源供電的全橋差動(dòng)電路假設(shè)ΔRT為溫度引起的電阻變化電橋的輸出為電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無(wú)關(guān)，因此測(cè)量不受溫度的影響。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.溫度漂移及其補(bǔ)償上一頁(yè)返回UR1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移

零漂擴(kuò)散電阻值隨溫度變化靈敏度漂移壓阻系數(shù)隨溫度變化零位溫漂串、并聯(lián)電阻靈敏度溫漂串聯(lián)二極管串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用并聯(lián)電阻RP起補(bǔ)償作用

電容式傳感器上一頁(yè)下一頁(yè)返回3.3.1電容式傳感器的工作原理1.工作原理及類型2.變極距型電容傳感器3.變面積型電容傳感器4.變介電常數(shù)型電容式傳感器上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.工作原理及類型

S——極板相對(duì)覆蓋面積；

δ——極板間距離；

εr——相對(duì)介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)，；

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。δSε上一頁(yè)返回下一頁(yè)變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.變極距型電容傳感器非線性關(guān)系若△d/d<<1時(shí)，則式（3.3.3）可簡(jiǎn)化為若極距縮小△d最大位移應(yīng)小于間距的1/10差動(dòng)式改善其非線性初始電容上一頁(yè)返回下一頁(yè)3.變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度方向平移時(shí)，其電容變化量化為△C與△x間呈線性關(guān)系上一頁(yè)返回下一頁(yè)電容式角位移傳感器當(dāng)θ=0時(shí)當(dāng)θ≠0時(shí)傳感器電容量C與角位移θ間呈線性關(guān)系上一頁(yè)返回下一頁(yè)4.變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容電容式液位傳感器電容與液位的關(guān)系為：上一頁(yè)返回下一頁(yè)例題當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對(duì)變化量為電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量L呈線性關(guān)系上一頁(yè)返回下一頁(yè)3.3.2電容式傳感器主要性能1.靜態(tài)靈敏度被測(cè)量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比2.非線性上一頁(yè)返回下一頁(yè)變極距型，其靜態(tài)靈敏度為將上式展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)得但δ過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿(空氣的擊穿電壓為3kv/mm)在極間加一層云母片(擊穿電壓>103kv/mm)或塑料膜來(lái)改善電容器耐壓性能差動(dòng)結(jié)構(gòu)也可提高靈敏度上一頁(yè)返回下一頁(yè)平板式變面積型b△aab

δkg減小δ、加云母片、增大b、采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可提高靈敏度上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.非線性變極距型

將上式展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)得δ取值不能大，否則將降低靈敏度上一頁(yè)返回下一頁(yè)采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量差動(dòng)式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍如果采用容抗作為電容式傳感器輸出量被測(cè)量與δ成線性關(guān)系

無(wú)需滿足上一頁(yè)返回下一頁(yè)3.3.3傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.特點(diǎn)2.設(shè)計(jì)要點(diǎn)上一頁(yè)返回下一頁(yè)1、特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn): 1.溫度穩(wěn)定性好

（電容值與電極材料無(wú)關(guān)；本身發(fā)熱極?。?/p>

2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)

3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)上一頁(yè)返回下一頁(yè)缺點(diǎn)： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差 傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響。

2、寄生電容影響大 傳感器的初始電容量小，而引線電纜電容、電路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等寄生電容卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1).減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能

(2).消除和減小邊緣效應(yīng)

(3).消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾

(4).盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器上一頁(yè)返回下一頁(yè)低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)例某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的εr

＝2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：2r12r2H3.3.4電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容Rg是極間等效漏電阻極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗上一頁(yè)返回下一頁(yè)rC0CPRgL低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略等效電容C=C0+Cp，等效電阻Re≈Rg

上一頁(yè)返回下一頁(yè)CRgAB高頻等效電路電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略，其中C=C0+Cp，而re≈r

上一頁(yè)返回下一頁(yè)reCLAB由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨ω變化而變化。上一頁(yè)返回下一頁(yè)3.3.5電容式傳感器測(cè)量電路(1)調(diào)頻電路(2)運(yùn)算放大器電路(3)雙T型電橋電路(4)脈寬調(diào)制電路上一頁(yè)返回下一頁(yè)(1)調(diào)頻電路上一頁(yè)返回下一頁(yè)當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，△c≠0，此時(shí)頻率為具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)上一頁(yè)下一頁(yè)返回(2).運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號(hào)上一頁(yè)下一頁(yè)運(yùn)算放大器式電路原理圖uC-ACx∑～u0返回由運(yùn)算放大器工作原理可知結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性

假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A=

，輸入阻抗Zi=

因此仍然存在一定的非線性誤差， 但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回(3)二極管雙T型電路上一頁(yè)下一頁(yè)U0iC1iC2±UED1D2RRC1C2RL電源為正半周D1短路D2開(kāi)路，電容C1被充電影響不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE

返回若二極管理想化，當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成一階電路上一頁(yè)下一頁(yè)UE+RRRULLEiC2C2U0RRLR±返回供電電壓是幅值為±UE、周期為T(mén)、占空比為50%的方波可直接得到電容C2的電流iC2如下:上一頁(yè)下一頁(yè)在

R+(RRL)/(R+RL)

C2

T/2時(shí)，電流iC2的平均值IC2可以寫(xiě)成返回故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為同理，可得負(fù)半周時(shí)電容C1的平均電流IC1為上一頁(yè)下一頁(yè)返回電路的特點(diǎn):①線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；④適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(4).脈寬調(diào)制電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化通過(guò)低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為式中

UA、UB──A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；

T1、T2──分別為C1和C2的充電時(shí)間；

U1──觸發(fā)器輸出的高電位。上一頁(yè)下一頁(yè)返回C1、C2的充電時(shí)間式中Ur──觸發(fā)器的參考電壓設(shè)R1=R2=R，則得

結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比上一頁(yè)下一頁(yè)返回設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為δ1、δ2和S1、S2

差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何 差動(dòng)式電容式傳感器 并具有理論上的線性特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回優(yōu)點(diǎn)：

采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高 不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求 也不需要相敏檢波與解調(diào)等 對(duì)元件無(wú)線性要求 經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓 對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高上一頁(yè)下一頁(yè)返回例：現(xiàn)有一電容式位移傳感器，如圖A所示。其中園柱C為內(nèi)電極，圓筒A、B為兩個(gè)外電極，D為屏蔽套筒，CBC構(gòu)成一個(gè)固定電容CF，CAC是隨活動(dòng)屏蔽套筒伸入位移量x而變的可變電容CX。采用圖B電路檢測(cè)，信號(hào)源電壓為USR。問(wèn)：在要求運(yùn)放輸出電壓USC隨輸入位移x成正比時(shí)，標(biāo)出CF和CX在圖B中所連的位置，為什么？解：如圖B所示，因?yàn)殡娙菔荂X可變面積的電容傳感器。CXCF3.3.6電容式傳感器的應(yīng)用(1)電容式差壓傳感器(2)電容式加速度傳感器(3)電容式振動(dòng)位移傳感器上一頁(yè)返回下一頁(yè)P(yáng)2玻璃盤(pán)鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測(cè)微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可

上一頁(yè)返回下一頁(yè)231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)很高的加速度電容式加速度傳感器上一頁(yè)返回下一頁(yè)a)測(cè)振幅b)測(cè)軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測(cè)物振動(dòng)電容式傳感器被測(cè)軸電容式傳感器電容式位移傳感器應(yīng)用

上一頁(yè)返回下一頁(yè)3.3.7容柵式傳感器(1)基本類型及工作原理(2)容柵傳感器電極的結(jié)構(gòu)形式(3)信號(hào)處理方式(4)容柵式傳感器應(yīng)用上一頁(yè)返回下一頁(yè)(1)基本類型及工作原理長(zhǎng)容柵圓容柵片狀柱狀上一頁(yè)下一頁(yè)返回長(zhǎng)容柵上一頁(yè)下一頁(yè)返回n－動(dòng)?xùn)懦呒?jí)片數(shù)a,b－柵極片長(zhǎng)度和寬度δ為動(dòng)?xùn)懦吆投懦叩拈g距ε為它們之間介質(zhì)的介電常數(shù)

W為反射電極的極距上一頁(yè)下一頁(yè)返回CCmaxC0W2W位移x2α4α角度θ片狀圓容柵r2,r1

－圓盤(pán)柵極片外半徑和內(nèi)半徑α

－每條柵極片對(duì)應(yīng)的圓心角（rad）上一頁(yè)下一頁(yè)返回柱狀圓容柵上一頁(yè)下一頁(yè)返回1定子2轉(zhuǎn)子(2)容柵傳感器電極的結(jié)構(gòu)形式（a）直電極反射式（b）直電極透射式（c）反射式L型電極上一頁(yè)返回下一頁(yè)(a)直電極反射式上一頁(yè)下一頁(yè)返回結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，使用方便，移動(dòng)過(guò)程中，導(dǎo)軌的誤差對(duì)測(cè)量精度影響較大(b)直電極透射式上一頁(yè)下一頁(yè)返回測(cè)量調(diào)整方便、安裝誤差和運(yùn)行誤差的影響降低、制造安裝困難(c)反射式L型電極上一頁(yè)下一頁(yè)返回增大反射電極的面積，增加耦合的電容量，提高傳感器的靈敏度，增強(qiáng)抗干擾能力和提高穩(wěn)定性(3)信號(hào)處理方式鑒幅式測(cè)量電路 系統(tǒng)可達(dá)到0.001mm分辨力，主要在測(cè)長(zhǎng)儀上使用，鑒相式測(cè)量電路 系統(tǒng)分辨力為0.01mm，主要在電子數(shù)字顯示卡尺等數(shù)顯量具上使用。上一頁(yè)返回下一頁(yè)（a）鑒幅式測(cè)量系統(tǒng)上一頁(yè)返回下一頁(yè)（b）鑒相式測(cè)量系統(tǒng)上一頁(yè)返回下一頁(yè)式中，Um——發(fā)射電極激勵(lì)信號(hào)基波電壓幅值；

ω——發(fā)射電極激勵(lì)信號(hào)基波電壓的頻率。設(shè)上一頁(yè)返回下一頁(yè)設(shè)

反映了傳感器輸出電壓相位的變化規(guī)律，而

又與位移x有關(guān)，故通過(guò)測(cè)量輸出電壓的相位，就可間接的測(cè)量位移的大小。鑒相式測(cè)量電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力。鑒相式測(cè)量電路在理論上還存在非線性誤差，同時(shí)由于激勵(lì)電壓含有高次諧波，影響了測(cè)量精度。上一頁(yè)返回下一頁(yè)(4)容柵式傳感器應(yīng)用主要應(yīng)用于量具、量?jī)x和機(jī)床數(shù)顯裝置。角位移容柵傳感器已在電子數(shù)顯千分尺及機(jī)床分度盤(pán)中應(yīng)用。線位移容柵傳感器已在電子數(shù)顯卡尺、數(shù)顯深度尺、數(shù)顯高度尺、機(jī)床數(shù)顯標(biāo)尺中應(yīng)用上一頁(yè)返回返回

差動(dòng)變壓器

差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)的形式連接，故稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。 變隙式變面積式 螺線管式下一頁(yè)返回(a)、(b)變隙式差動(dòng)變壓器；(c)、(d)螺線管式差動(dòng)變壓器；(e)、(f)變面積式差動(dòng)變壓器上一頁(yè)返回下一頁(yè)差動(dòng)變壓器3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2.3差動(dòng)變壓器應(yīng)用

上一頁(yè)返回下一頁(yè)3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器當(dāng)一次側(cè)線圈接入激勵(lì)電壓后，二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出互感變化時(shí)，輸出電壓將作相應(yīng)變化上一頁(yè)返回下一頁(yè)兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反向串聯(lián)。當(dāng)沒(méi)有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙為δa0=δb0=δ0兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組反向串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2a≠e2b，輸出電壓電壓的大小反映了被測(cè)位移的大小，通過(guò)用相敏檢波等電路處理，使最終輸出電壓的極性能反映位移的方向。1.工作原理上一頁(yè)返回下一頁(yè)２.輸出特性

上一頁(yè)返回下一頁(yè)如果被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)圖3.2.3變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性１理想特性；２實(shí)際特性上一頁(yè)返回下一頁(yè)結(jié)論：（１）供電電源首先要穩(wěn)定，電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K值;（２）增加W2/W1的比值和減少δ0都能使靈敏度K值提高;（３）以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容條件下得到的;（４）以上結(jié)果是在假定工藝上嚴(yán)格對(duì)稱前提下得到的，而實(shí)際上很難做到這一點(diǎn);（５）上述推導(dǎo)是在變壓器副邊開(kāi)路的情況下得到的。上一頁(yè)返回下一頁(yè)３.２.２螺線管式差動(dòng)變壓器1.工作原理2.基本特性3.主要性能4.零點(diǎn)殘余電壓及消除方法5.轉(zhuǎn)換電路上一頁(yè)返回下一頁(yè)１.工作原理１-活動(dòng)銜鐵；２-導(dǎo)磁外殼；３-骨架；４-匝數(shù)為W1初級(jí)繞組；５-匝數(shù)為W2a的次級(jí)繞組；６-匝數(shù)為W2b的次級(jí)繞組上一頁(yè)返回下一頁(yè)圖3.2.6差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線上一頁(yè)返回下一頁(yè)２.基本特性當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí)有,初級(jí)線圈激勵(lì)電流根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式為次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開(kāi)路，則輸出電壓有效值上一頁(yè)返回下一頁(yè)基本特性分析：（1）當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)

M1=M2=M

則U2=0

（2）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向W2a方向移動(dòng)時(shí)

M1=M+ΔM,M2=M-ΔM

故（3）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向W2b方向移動(dòng)時(shí)

M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故上一頁(yè)返回下一頁(yè)３.主要性能（1）靈敏度（2）線性度上一頁(yè)返回下一頁(yè)（1）靈敏度差動(dòng)變壓器在單位電壓激勵(lì)下，鐵芯移動(dòng)一個(gè)單位距離時(shí)的輸出電壓，以V/mm/V表示。理想條件下，差動(dòng)變壓器的靈敏度KE正比于電源激勵(lì)頻率f.圖3.2.7KE與f關(guān)系曲線上一頁(yè)返回下一頁(yè)提高輸入激勵(lì)電壓，將使傳感器靈敏度按線性增加。除了激勵(lì)頻率和輸入激勵(lì)電壓對(duì)差動(dòng)變壓器靈敏度有影響外，提高線圈品質(zhì)因數(shù)Q值，增大銜鐵直徑，選擇導(dǎo)磁性能好，鐵損小以及渦流損耗小的導(dǎo)磁材料制作銜鐵和導(dǎo)磁外殼等可以提高靈敏度。上一頁(yè)返回下一頁(yè)（2）線性度線性度:傳感器實(shí)際特性曲線與理論直線之間的最大偏差除以測(cè)量范圍（滿量程），并用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。影響差動(dòng)變壓器線性度的因素:骨架形狀和尺寸的精確性，線圈的排列，鐵芯的尺寸和材質(zhì)，激勵(lì)頻率和負(fù)載狀態(tài)等。改善差動(dòng)變壓器的線性度:

取測(cè)量范圍為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10-1/4，激勵(lì)頻率采用中頻，配用相敏檢波式測(cè)量電路上一頁(yè)返回下一頁(yè)4.零點(diǎn)殘余電壓及消除方法零點(diǎn)殘余電壓危害：使傳感器輸出特性在零點(diǎn)附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制著分辨力的提高。零點(diǎn)殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡?，堵塞有用信?hào)通過(guò)，致使儀器不再反映被測(cè)量的變化。上一頁(yè)返回下一頁(yè)產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因（1）由于兩個(gè)二次測(cè)量線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱，使其輸出的基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值和相位不同，調(diào)整磁芯位置時(shí)，也不能達(dá)到幅值和相位同時(shí)相同。（2）由于鐵芯的B-H特性的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能互相抵消。上一頁(yè)返回下一頁(yè)減小零點(diǎn)殘余電壓措施：（1）在設(shè)計(jì)和工藝上，力求做到磁路對(duì)稱，線圈對(duì)稱。鐵芯材料要均勻，要經(jīng)過(guò)熱處理去除機(jī)械應(yīng)力和改善磁性。兩個(gè)二次側(cè)線圈窗口要一致，兩線圈繞制要均勻一致。一次側(cè)線圈繞制也要均勻。（2）采用拆圈的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)減小零點(diǎn)殘余電壓。其思路是，由于兩個(gè)二次側(cè)線圈的等效參數(shù)不相等，用拆圈的方法，使兩者等效參數(shù)相等。（3）在電路上進(jìn)行補(bǔ)償。線路補(bǔ)償主要有：加串聯(lián)電阻，加并聯(lián)電容，加反饋電阻或反饋電容等。上一頁(yè)返回下一頁(yè)補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的電路上一頁(yè)返回下一頁(yè)5.轉(zhuǎn)換電路

能辨別移動(dòng)方向消除零點(diǎn)殘余電壓

（1）差動(dòng)整流電路

（2）相敏檢波電路

（3）直流差動(dòng)變壓器電路上一頁(yè)返回下一頁(yè)（1）差動(dòng)整流電路(a)、(b)適用于高阻抗負(fù)載(c)、(d)適用于低阻抗負(fù)載電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。上一頁(yè)返回下一頁(yè)（2）相敏檢波電路（a）相敏檢波電路原理圖；（b）us、u2為正半周時(shí)等效電路；(c)us、u2為負(fù)半周時(shí)等效電路上一頁(yè)返回下一頁(yè)相敏檢波電路波形

(a）被測(cè)位移變化波形圖；(b)差動(dòng)變壓器激勵(lì)電壓波形；(c)差動(dòng)變壓器輸出電壓波形；(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形上一頁(yè)返回下一頁(yè)（3）直流差動(dòng)變壓器電路應(yīng)用場(chǎng)合：需要遠(yuǎn)距離測(cè)量，便攜，防爆及同時(shí)使用若干個(gè)差動(dòng)變壓器，且需避免相互間或?qū)ζ渌鼉x器設(shè)備產(chǎn)生干擾的場(chǎng)合。上一頁(yè)返回下一頁(yè)3.2.3差動(dòng)變壓器應(yīng)用1.力和力矩的測(cè)量2.微小位移的測(cè)量3.壓力測(cè)量4.加速度傳感器上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.力和力矩的測(cè)量1－線圈2－銜鐵3－彈性元件優(yōu)點(diǎn)：承受軸向力時(shí)應(yīng)力分布均勻；當(dāng)長(zhǎng)徑比較小時(shí)，受橫向偏心的分力的影響較小。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.微小位移的測(cè)量1－測(cè)端2－防塵罩3－軸套4－圓片簧5－測(cè)桿6－磁筒7－磁芯8－線圈9－彈簧10－導(dǎo)線上一頁(yè)返回下一頁(yè)3.壓力測(cè)量

微壓力傳感器1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動(dòng)變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開(kāi)環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計(jì)上一頁(yè)返回下一頁(yè)4.加速度傳感器1－懸臂梁；2－差動(dòng)變壓器上一頁(yè)返回

電阻式傳感器

3.1工作原理應(yīng)變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器工作原理：

當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量3.1.1應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為

：式中：dL/L——長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變?chǔ)疟硎緸?/p>

電阻相對(duì)變化量：dA/A——圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πrdr，則：材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表